圖像智能識別在水位監(jiān)測中的研究與應用

金江波，王福卿，劉希慶，高明山，趙志輝

（河北省水利技術試驗推廣中心，石家莊 050061）

灌區(qū)水資源是水資源重要組成部分，在保證農(nóng)業(yè)灌溉、支持經(jīng)濟社會發(fā)展、維護生態(tài)平衡等方面發(fā)揮了重要作用。

目前，用水計量設備類型較多，但適用于渠道水量尤其是支斗渠灌溉用水計量的設備類型較少，壓力式、浮子式、容感式渠道水位傳感，由于受高寒地區(qū)凍脹、冰凍影響而不適用，而超聲波渠道流量儀受制于渠道量水條件和設備造價較高等因素而限制了推廣應用［1］。國家“農(nóng)業(yè)水價綜合改革暨渠系節(jié)水改造”工作要求“計量到斗口”，所以研發(fā)、推廣適用于我國灌區(qū)灌溉計量，尤其是支斗渠灌溉用水計量的造價低廉、簡便實用的量水設施和量水技術，是當前實際生產(chǎn)中亟待解決的棘手問題。結(jié)合農(nóng)業(yè)水價綜合改革試點，采用渠道水位自動拍照、圖像智能識別和GPRS遠程傳輸技術，研發(fā)一種適用于高寒地區(qū)支斗渠渠道量水的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)⑶浪粓D像直觀記錄，不受外部環(huán)境和水體水質(zhì)等因素影響，穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

渠道水位圖像智能識別系統(tǒng)主要由信息采集層、信息傳輸層、信息應用層3部分組成［2］。 如圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 信息采集層

主要由信息采集終端、GPRS無線模塊、電源等組成。信息采集終端主要完成監(jiān)測物理量傳感器信號，包括水位圖像的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、定時記錄存儲等［3］；并通過GPRS無線模塊與數(shù)據(jù)管理中心進行實時通訊，接收控制指令、發(fā)送實時監(jiān)測信息和歷史數(shù)據(jù)等［4］。

1.2 信息傳輸層

本系統(tǒng)信息傳輸層主要由GPRS/Internet組成。GPRS網(wǎng)絡是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡基礎上增加SGSN和GGSN來實現(xiàn)的。SGSN通過幀中繼連接基站系統(tǒng)，GGSN經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)與SGSN連通，最終連接到Internet，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程通信。

1.3 信息應用層

信息應用層主要指數(shù)據(jù)管理中心，其由通信服務器、應用管理機、實時監(jiān)控管理軟件構(gòu)成。系統(tǒng)網(wǎng)絡接入可采用由GPRS經(jīng)由防火墻到Internel公網(wǎng)接入方案，或由APN接入路由器的專用網(wǎng)絡接入方案。通過GPRS網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息的實時采集和數(shù)據(jù)管理。

2 系統(tǒng)功能

渠道水位圖像智能識別系統(tǒng)集水位現(xiàn)場自動拍照、圖像直觀顯示、智能識別、GPRS網(wǎng)絡遠程傳輸、自動計量、存儲、處理一體化的新型渠道量水系統(tǒng)。并能自動完成數(shù)據(jù)傳輸、流量計算、水量統(tǒng)計、過程線繪制、報表制作等。

系統(tǒng)主要具備以下功能：

2.1 采集功能

自動采集分為非連續(xù)采集和連續(xù)采集。對于灌區(qū)來說，其變化相對平緩，一般采用非連續(xù)性定時采集，即相隔一定時間進行一次監(jiān)測［5］。采用水位圖像直觀顯示，并對圖像進行智能識別為水位值。這樣既能通過圖像了解現(xiàn)場，又能將水位自動入庫，方便數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計等。

2.2 存儲功能

由于系統(tǒng)采用非實時數(shù)據(jù)通訊，所以必須將定時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄存儲，以便能夠更準確捕捉到每日最高、最低水位值及突發(fā)事件所引起的突變值。

(2)蒼嶧鐵礦帶自北向南共分為5個含礦帶，礦帶展布形態(tài)受太白向斜和石閆背斜兩褶皺構(gòu)造的控制。規(guī)模較大的礦體主要產(chǎn)于向斜轉(zhuǎn)折端，而與背斜轉(zhuǎn)折端相對應的礦床規(guī)模相對較小，在發(fā)生倒轉(zhuǎn)的褶皺構(gòu)造中，倒轉(zhuǎn)翼常常被拉斷，而正常翼則表現(xiàn)出礦體等厚性。斷層構(gòu)造為成礦后的破壞構(gòu)造，破壞了賦礦構(gòu)造及礦體的連續(xù)性，間接控制了鐵礦體的賦存和分布。

由于受存儲數(shù)據(jù)格式、存儲器容量等影響，該系統(tǒng)采用定時存儲記錄方式，時間間隔為5min，信息數(shù)據(jù)記錄的存儲容量為3年［6］。

2.3 指令接收與執(zhí)行功能

信息測控終端設備具有對數(shù)據(jù)管理中心指令自動接收和識別、執(zhí)行等功能，并根據(jù)指令需求自動查詢數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｍ瑫r具有遠程配置功能，包括測控終端時鐘校對、域名配置、IP地址配置、多中心配置、數(shù)據(jù)報送模式等功能［7］。

2.4 自動報送及召測功能

在數(shù)據(jù)管理中心連續(xù)工作狀態(tài)下，監(jiān)測站點信息采用定時自動報送模式，遠端數(shù)據(jù)既可通過GPRS/Internet定時報送到數(shù)據(jù)管理中心，也可通過單點召測或巡測模式。召測功能還用于所需站點信息的實時監(jiān)測情況，了解某個站點水位、流量信息實時狀況。

2.5 水位流量關系管理功能

對于規(guī)則斷面的渠道，在粗糙系數(shù)一定的情況下，過水斷面流量可用均勻流公式進行水量計算。

對于非均勻流渠道或無法確定粗糙系數(shù)的情況下，可根據(jù)站點控制斷面的實測數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)采用最小二乘法進行回歸計算處理［8］，找出控制斷面的水位～流量的回歸曲線和各水位對應的流量表，以便于分析、修改和查詢。

2.6 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理中心具有對站點信息進行自動遙測，完成數(shù)據(jù)的分域、分時、分類，按照信息地域、時間、類別對數(shù)據(jù)進行自動分析匯總、存儲，具備按地域、時段、類別進行查詢、統(tǒng)計（最大值、最小值、平均值），并按《水資源監(jiān)測規(guī)范》等要求形成日報表、月報表、年報表，以便上報、留檔及資料整編。能進行水位過程曲線繪制，GIS專題圖表的繪制［9］，可清晰、直觀、形象地了解其變化情況。

3 信息監(jiān)測站點

信息監(jiān)測站點主要由圖像識別、采集終端、GPRS數(shù)據(jù)終端、太陽能供電系統(tǒng)、避雷器等組成。系統(tǒng)方案為：在渠道水中固定一個水位專用識別標尺，并布置攝像頭及采集終端，對水位進行實時監(jiān)控，并通過GPRS/Internet將觀測圖像上傳到數(shù)據(jù)管理中心，由數(shù)據(jù)管理中心完成對上傳數(shù)據(jù)的保存和分析，包括圖像智能識別、特征量提取及計算分析等任務，如圖2。

圖2 信息監(jiān)測結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 圖像識別

圖像識別是利用計算機技術對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象的技術。識別過程包括圖像預處理、圖像分割、特征提取和判斷匹配等［10］。

借助圖像識別技術，不僅能通過圖片更快地搜索信息，還可以產(chǎn)生一種與外部世界進行交互的新型方式，甚至會讓外部世界更加智能地展示運行。數(shù)字圖像處理和識別的主要技術方法有圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強和復原、圖像描述、圖像分割、圖像分類、識別等。圖像識別使攝像設備成為解密信息的鑰匙，僅需把攝像設備對準某一未知事物，就能得到預想的答案。

本系統(tǒng)利用水位自動拍照、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、圖像直觀顯示、智能識別為水位、根據(jù)水位～流量關系來推算水量。

在水位專用識別標尺使用過程中，可能會出現(xiàn)各種天氣現(xiàn)象，這樣對水尺的識別也會產(chǎn)生一定影響，本套產(chǎn)品通過輔助照明的方法和優(yōu)化識別算法來解決。如針對陰天時，外界光照不足的因素影響，設備會自動啟用輔助照明，增加光照度；下雨時，水尺背景中可能會有雨滴，雨滴在圖片中的陰影會對識別造成一定干擾，設備會對水位圖片進行形態(tài)學閉運算，從而淡化雨滴陰影部分，排除干擾［11］；同時下雨時，水尺出水部分如有水漬，水漬會對水位線的判斷產(chǎn)生干擾，設備對圖片進行形態(tài)學閉運算、開運算等來淡化非水位線的顏色，排除干擾［12］。水量量測范圍達0.01～10m3/s、水量量測誤差優(yōu)于3%、圖像識別準確率在99%以上。

3.2 攝像頭及采集終端

位于實時監(jiān)測站點，主要完成監(jiān)測指標的水位圖像自動采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲記錄、GPRS模塊通信控制、指令接收、遠程配置、數(shù)據(jù)顯示等管理功能。

由于數(shù)據(jù)的采集是24h不間斷進行的，這樣就會涉及到夜間識別問題。當夜間光線不足時，設備會自動啟動輔助照明附件，拍攝完成后，自動關閉輔助照明附件，可有效地解決在夜間識別水位的問題［13］。

3.3 供電電源和工作模式

信息采集站點一般遠離城鎮(zhèn)，優(yōu)先采用太陽能供電模式是比較科學的選擇。這就要求信息采集站點設備采用低功耗設計，使系統(tǒng)通過電池供電可連續(xù)運行5年以上，具備中斷（遠程喚醒中斷、時間中斷）喚醒功能。考慮灌區(qū)信息監(jiān)測的特點，GPRS無線數(shù)據(jù)模塊采用定時段開啟方案和定時發(fā)送等模式，這樣既可省電，又能達到數(shù)據(jù)監(jiān)測要求。

4 系統(tǒng)管理中心

系統(tǒng)管理中心是整個系統(tǒng)的管理樞紐，是系統(tǒng)信息監(jiān)控中心和信息管理中心。系統(tǒng)管理中心主要由通信服務器、應用客戶機、通訊接口、ADSL Modem、防火墻、路由器、操作系統(tǒng)軟件、信息采集與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件等組成，為系統(tǒng)的良好運行提供硬件基礎平臺和軟件支撐平臺。

軟件系統(tǒng)主要包括信息采集軟件和數(shù)據(jù)管理軟件，采用GIS技術、全中文操作、人性化界面、標準化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等［14］，其功能結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

5 應用效果

5.1 解決水質(zhì)復雜條件下量水難題

利用較先進的圖像識別技術對渠道水位進行自動識別，并通過GPRS/internet網(wǎng)實現(xiàn)渠道水位的遠程傳輸，結(jié)合量水設施，采用遠程直讀模式實現(xiàn)渠道水位圖像直觀顯示、水量的自動計量，解決低溫冰凍環(huán)境、水質(zhì)復雜條件下的自動量水難題。

5.2 數(shù)據(jù)實時、準確

信息采集站點采用自動檢測模式，定時存儲記錄，并定時報送或可隨時響應數(shù)據(jù)管理中心的實時在線召測，將實時采集數(shù)據(jù)及歷史記錄數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理中心，提高了數(shù)據(jù)監(jiān)測的實時性、準確性、可靠性和時效性。信息采集站點5min記錄1次數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以科學準確地了解灌區(qū)水位、流量的變化過程［15］。

5.3 先進實用、方便靈活

系統(tǒng)集成化程度高，組成比較簡單，安裝時只要將數(shù)據(jù)采集終端設備固定在專用線桿（建議用不銹鋼桿）上即可。系統(tǒng)管理軟件具有報表自動生成功能，并可繪制各種數(shù)據(jù)專題分析圖、過程曲線圖等。

6 結(jié)語

利用較先進的圖像識別技術對渠道水位進行自動識別，本系統(tǒng)分別在河北省的張家口市、承德市等多個灌區(qū)得到應用推廣，解決了低溫冰凍環(huán)境、水質(zhì)復雜條件下的自動量水難題。

［1］駱蘭.水情自動測報系統(tǒng)研究進展［J］.河南水利與南水北調(diào)，2011（14）：4-5.

［2］姜曉玉，花再軍.基于圖像處理的水位自動讀取［J］.電子設計工程，2011，19（23）：23-25.

［3］林瑞鳳，徐海.基于圖像傳感器的明渠水位自動測量方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（8）：53-55.

［4］高明山，金江波，王福卿.渠道流量無線自動計量器［P］.中國，ZL200920102144.2，2010.

［5］趙斌，匡麗紅，黃操軍.灌區(qū)地下水水位遙測系統(tǒng)的研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學學報，2011，23（3）：58-61.

［6］鄭國偉，齊虹，林瑞全.基于AT89S52單片機的雙水箱水位控制系統(tǒng)設計［J］.閩江學院學報，2012，33（2）：77-81.

［7］SL426—2008，水資源監(jiān)控設備基本技術條件［S］.

［8］陸洪昌.灌區(qū)水位觀測與計算方法綜評［J］.水利科技與經(jīng)濟，2013（2）：43-44.

［9］馮軍營，李綱.WebGIS及其二次開發(fā)技術的研究與應用［J］.中國科技信息，2011（1）：51-52，50.

［10］徐彩云.圖像識別技術研究綜述［J］.數(shù)字社區(qū)&智能家居，2013 （10）：2446-2447.

［11］王曉紅，孫平，徐卓，等.基于模式識別技術的色貌模型評價研究［J］.光學技術，2012，38（5）：573-578.

［12］劉奇琦，龔曉峰.一種二值圖像連通區(qū)域標記的新方法［J］.計算機工程與應用，2012，48（11）：178-180，200.

［13］趙旭，羅章海，楊茜，等.數(shù)字視頻水位計在灌區(qū)水位監(jiān)測中的應用［J］.新疆水利，2011（3）.

［14］程琴，任海東.基于ZigBee的水庫水位監(jiān)測及遠程控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術，2013（13）.

［15］蘇志軍，湯巧英，吳國偉.灌區(qū)信息系統(tǒng)設計與研究［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010（8）.